(57)【要約】【課題】  フッ素樹脂成形体同士を耐圧強度、気密性、機械的強度、寸法精度、外観形状などの品質を確保しつつ接合する方法および該方法により得られた接合体を提供する。【解決手段】  フッ素樹脂成形体同士を超音波溶着により接合する方法であって、上記超音波溶着される接合部の断面は、一方が凸形状で、他方が上記凸形状の凸部に嵌合できる凹形状で、かつ上記凸形状の凸部先端幅が上記凹形状の凹部底面幅よりも大きい形状で嵌合されつつ該凸部の側面で超音波溶着されてなる。また、上記凹形状の凹部内側面の少なくとも一方の側面に凹部底面幅を凹部上面幅よりも狭くする方向の傾斜面を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フッ素樹脂成形体同士を超音波溶着により接合する方法であって、
前記超音波溶着される接合部の断面は、一方が凸形状で、他方が前記凸形状の凸部に嵌合できる凹形状で、かつ前記凸形状の凸部先端幅が前記凹形状の凹部底面幅よりも大きい形状で嵌合されつつ該凸部の側面で超音波溶着されてなることを特徴とするフッ素樹脂成形体の接合方法。
【請求項２】
前記凹形状の凹部内側面の少なくとも一方の側面に凹部底面幅を凹部上面幅よりも狭くする方向の傾斜面を有することを特徴とする請求項１記載のフッ素樹脂成形体の接合方法。
【請求項３】
前記フッ素樹脂成形体が、ポリフッ化ビニリデン樹脂成形体であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のフッ素樹脂成形体の接合方法
【請求項４】
フッ素樹脂成形体同士を超音波溶着により接合して得られたフッ素樹脂接合体であって、請求項１、請求項２または請求項３記載の接合方法により接合されたことを特徴とするフッ素樹脂接合体。
【請求項５】
前記フッ素樹脂接合体が、燃料電池用パイプであることを特徴とする請求項４記載のフッ素樹脂接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波溶着によりフッ素樹脂成形体を接合する方法であって、特に燃料電池用パイプの製造に用いられる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フッ素樹脂成形体は、耐熱性、耐薬品性、電気絶縁性などに優れた部材であり、各工業分野において使用されている。近年、環境・エネルギー問題対策として燃料電池自動車の開発が進められており、該燃料電池の部材としてもフッ素樹脂成形体が用いられている。例えば、その燃料電池用パイプとして、金属ガス配管の内面を耐熱性、耐酸性のあるフッ素樹脂のフィルムなどで被覆し保護したもの（特許文献１参照）や、配管自体をフッ素樹脂成形体としたものなどがある。フッ素樹脂を利用するのは、燃料電池における燃料電池用パイプは、水素−高温水蒸気混合ガスなどに晒されるので、ＳＵＳ製などの金属製パイプを用いた場合では、金属イオンが溶出して燃料電池触媒が被毒劣化する、水素ガスが管に浸透し金属管が脆化する、または導電性であり燃料電池の電気絶縁性を担保できず漏電が起こるなどの問題があるためである。
【０００３】
燃料電池用パイプでは、パイプ本体にフッ素樹脂成形体からなるフランジおよびその他の連結部位を接合しているものがある。この接合方法としては一般的に接着剤による接着、溶接、振動溶着、高周波溶着、熱溶着、レーザー溶着などが用いられている。従来フッ素樹脂の接合を行なうものとして例えば、接合する樹脂を融点が低く、かつ動摩擦係数の大きいものに限定して振動溶着するもの（特許文献２参照）などがある。
また、パイプの形状が３次元的にねじれた複雑形状である場合は、型抜きができず射出成形による成形が困難となるため、主にブロー成形などにより成形されている。
【０００４】
上記のように近年における燃料電池分野、またはその他半導体分野などでは、優れた特性を有するフッ素樹脂成形体、および複雑形状の部材としてそれらの接合体が必要とされており、該接合体においては高い寸法精度が求められている。
しかしながら、フッ素樹脂成形体は結晶性樹脂であり、一般に摩擦係数が小さく、溶融温度が高いという特徴があるため、該成形体を、加熱溶着、振動溶着などにより接合すると、耐圧強度、気密性、機械的強度、寸法精度、外観形状などの品質を維持することが困難であるという問題がある。また、超音波溶着では接合自体が困難であった。また、フッ素樹脂成形体は、ブロー成形により成形した場合では、寸法精度が悪く肉厚の均一性を担保できないなどの問題がある。
【特許文献１】特開平５−８９９０３号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】特開２０００−２１８６９７号公報（特許請求の範囲）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、フッ素樹脂成形体同士を耐圧強度、気密性、機械的強度、寸法精度、外観形状などの品質を確保しつつ接合する方法および該方法により得られた接合体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
フッ素樹脂成形体同士を超音波溶着により接合する方法であって、上記超音波溶着される接合部の断面は、一方が凸形状で、他方が上記凸形状の凸部に嵌合できる凹形状で、かつ上記凸形状の凸部先端幅が上記凹形状の凹部底面幅よりも大きい形状で嵌合されつつ該凸部の側面で超音波溶着されてなることを特徴とする。
また、上記凹形状の凹部内側面の少なくとも一方の側面に凹部底面幅を凹部上面幅よりも狭くする方向の傾斜面を有することを特徴とする。
また、上記フッ素樹脂成形体が、ポリフッ化ビニリデン樹脂成形体であることを特徴とする。
【０００７】
本発明のフッ素樹脂接合体は、フッ素樹脂成形体同士を超音波溶着により接合して得られたフッ素樹脂接合体であって、上記接合方法により接合されたことを特徴とする。
また、該接合体は、燃料電池用パイプであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の接合方法は、その超音波溶着される接合部の断面が、一方が凸形状で、他方が上記凸形状の凸部に嵌合できる凹形状で、かつ上記凸形状の凸部先端幅が上記凹形状の凹部底面幅よりも大きい形状で嵌合されつつ該凸部の側面で超音波溶着されてなるので、超音波溶着によるフッ素樹脂成形体同士の接合が可能となる。さらに、フッ素樹脂成形体を、耐圧強度、気密性、機械的強度、寸法精度、外観形状などの品質を確保しつつ接合することができる。
【０００９】
本発明のフッ素樹脂接合体は、上記接合方法により接合されるので、耐圧強度、気密性、機械的強度、寸法精度、外観形状などに優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の燃料電池用パイプは、燃料電池の排気側での電解質に対して防食対応させたパイプであり、例えば、燃料電池用の排気管、ガス配管などである。
本発明のフッ素樹脂成形体同士の接合方法を図１および図２を参照して説明する。図１は、燃料電池用パイプ１として燃料電池用排気管の分解斜視図を、図２（ａ）は図１における超音波溶着後の接合部のＡ−Ａ断面図を、図２（ｂ）は図２（ａ）における超音波溶着前のＢ部拡大断面図をそれぞれ示す。
燃料電池用パイプ１は、図１に示すようにフッ素樹脂成形体であるハイプ本体２と、該パイプ同士を連結するため、または、該パイプを燃料電池の任意位置に固定するための連結部材３などからなる。ここで、連結部材３もフッ素樹脂成形体であり、パイプ本体２に超音波溶着により溶着接合されている。
【００１１】
燃料電池用パイプ１の接合部を図２（ｂ）により説明する。超音波溶着される接合部４の断面は、連結部材３の接合部断面が凸形状３ａで、パイプ本体２の接合部断面が凹形状２ａであり、相互に嵌合できる形状をしており、かつ凸部先端幅Ｄが凹形状の凹部底面幅ｄ2よりも大きい形状である。
詳細には、パイプ本体２の凹形状２ａが、内側面２ｂおよび２ｃと、凹部底面２ｄとから構成され、内側面２ｂに凹部の上部内幅ｄ1を狭くする方向の傾斜面２ｅを有している。傾斜面２ｅを有する凹形状２ａに凸形状３ａを嵌合して超音波振動を印加することにより、接触部における変形歪の発熱が内側面２ｂと凸形状３ａの側面３ｂとで発生し該部位で溶着される。
具体的工程としては、連結部材３の凸形状３ａとパイプ本体２の凹形状２ａとを嵌合させ、超音波振動を発生させながら加圧して、相互に圧入する。この工程により、凹形状の凹部側面で超音波溶着する。ここで超音波溶着条件は、樹脂材料、凹凸形状等によって異なるが、超音波振動ホーンの振幅は、凹凸形状の嵌合上下方向に 25〜50μm 、周波数は、15〜20 kHz で行なうのが溶着強度および気密度を高めるので好ましい。
なお、パイプ本体２側に凸形状を、連結部材３側に凹形状を設けてもよい。
【００１２】
傾斜面２ｅは、凹部の内幅ｄ1が底面２ｄ方向に向かって狭くなる形状であり、内側面２ｂまたは内側面２ｃの片側面、あるいは内側面２ｂおよび内側面２ｃの両側面にあってもよい。
また、接合体の外観形状を維持するため、凹形状２ａの深さｄ4を凸形状３ａの長さｄ3より、余剰溶融物が溢れでない程度深くする。
凸形状３ａの形状は、その先端幅Ｄを凹部の上部内幅ｄ1よりも約０．０５ｍｍのクリアランスをもたせた形状とすることが好ましい。該形状とすることにより、溶着振動をかける前に嵌合先端部の凹凸を誘い込ませてパイプ本体２と連結部材３とを押えて変形などを矯正させることができる。その押えを保持しながら溶着振動をかけることによって全周を均一に溶着することが可能となる。
また、凹部上部入口への凸部の嵌合を容易とするためテーパー２ｆを設けることが好ましい。
【００１３】
以上の結果、パイプ本体２と連結部材３とは、凸形状３ａと凹形状２ａとの側面で超音波溶着されることになり、溶着面積が増大し超音波溶着部の溶着強度が向上する。また、凹凸の嵌合を利用するため、接合部周囲でのバリ発生などを防止でき寸法精度、外観形状にも優れる。よって、従来は困難であったフッ素樹脂成形体同士の溶着も高品質で行なうことができ、該フッ素樹脂製の燃料電池用パイプ１においても、その機密性、寸法精度などに優れる。
【００１４】
本発明の接合方法を使用できるフッ素樹脂成形体を構成するフッ素樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン樹脂（以下、ＰＶＤＦと略する）、ポリクロロトリフルオロエチレン樹脂（以下、ＰＣＴＦＥと略する）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（以下、ＰＦＡと略する）、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体樹脂、ポリクロロトリフルオロエチレン樹脂、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体樹脂、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体樹脂、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂等が挙げられる。フッ素樹脂成形体は、こららのフッ素樹脂単体、または、各種強化材、添加剤等の充填材を含有させたもので形成する。
【００１５】
燃料電池用パイプ、例えば、その使用条件が厳しい燃料電池車等の燃料電池用排気管としては、低温−４０℃から高温１４０℃にて熱安定性があり、溶着加工性が良好という理由からＰＶＤＦ成形体を用いることが好ましい。
また、本発明の接合方法では、従来超音波溶着が困難であるとされてきた、上記ＰＶＤＦよりも融点が高いＰＣＴＦＥについても容易に高品質で接合可能である。
【００１６】
半管状部分２つを接合して製造した燃料電池用パイプ１を図３および図４を参照して説明する。図３は、燃料電池用パイプ１として燃料電池用排気管の分解斜視図を、図４は図３における接合部のＣ−Ｃ断面図をそれぞれ示す。
燃料電池用パイプ１は、半管状部分２ａとおよび２ｂとからなるパイプ本体２を主要構成部位としている。半管状部分２ａと半管状部分２ｂとの接合部４が超音波溶着される。また、パイプ本体２には、半管状部分２ａおよび２ｂとの接合により構成される連結部材３などが設けられている。
半管状部分２ａとおよび２ｂは、この両部分を接合することで燃料電池用パイプ１を形成できる形状であればよい。特に、図３に示すように半管状部分２ａと、半管状部分２ｂとの接合面が平面に近い形状が好ましい。該形状とすることにより、各部位を射出成形などにより成形するときに金型の無理抜き部分が少なくなり、成形容易となる。
超音波溶着前の半管状部分２ａと半管状部分２ｂとの接合部拡大断面は図２と同様であり、その超音波溶着過程は上記パイプ本体と連結部材とを接合する場合と同様である。
なお、より３次元的に複雑な形状の燃料電池用パイプの場合では、パイプ本体を３つ以上の部位に分割して成形し、これらを上記超音波溶着により接合させてもよい。
【実施例】
【００１７】
実施例１〜実施例５
図１に示す形状の燃料電池用パイプ１を、ＰＶＤＦ成形体からなるパイプ本体２（外径φ２５ｍｍ）と、ＰＶＤＦロッドを切削加工した連結部材３（外径φ７５ｍｍ）とを超音波溶着により接合して得た。
超音波溶着は、超音波溶着機としてＢＲＡＮＳＯＮ２０００シリーズを使用し、周波数２０ｋＨｚ、振幅５０μｍ、溶着時間一定（０．１０秒）等の条件下で行なった。
得られた成形体について、気密確認実験、引張り試験を行なった。結果を表１に示す。なお、気密確認実験は、パイプ両端を密封し、片側よりエアーを ０．０１ＭＰａ 投入し水中にて気泡発生の有無を確認した。気泡の発生無しの場合を「ＯＫ」とした。
また、実施例１で得られた接合部の断面写真を図５に示す。
【表１】
2006137069.tif 000003
【００１８】
実施例６〜実施例１０
図６に溶着試験用の配管の分解斜視図を示す。なお、図６において超音波溶着接合部の断面図（Ａ’−Ａ’断面図）は図２と同様である。
図６に示すように、ＰＣＴＦＥロッドを切削加工して、パイプ５（外径φ２５ｍｍ）およびパイプ６（外径φ２５ｍｍ）を作製し、該パイプ同士を超音波溶着により接合した。
超音波溶着は、超音波溶着機としてＢＲＡＮＳＯＮ２０００シリーズを使用し、周波数２０ｋＨｚ、振幅５０μｍ、沈み込み量一定（０．９０ｍｍ）等の条件下で行なった。
得られた成形体について、気密確認実験、引張り試験を行なった。結果を表２に示す。なお、気密確認実験は、パイプ両端を密封し、片側よりエアーを ０．０１ＭＰａ 投入し水中にて気泡発生の有無を確認した。気泡の発生無しの場合を「ＯＫ」とした。
【表２】
2006137069.tif 000004
【００１９】
各実施例より、本発明で得られた接合体は、優れた気密性および機械的強度を有していた。また、図５に示すように、接合体断面は超音波溶着により両部材が完全に一体化していた。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
フッ素樹脂成形体の接合方法は、耐圧強度、気密性、機械的強度、寸法精度、外観形状などの品質を確保しつつ接合できるので、燃料電池分野、半導体分野などの分野におけるフッ素樹脂接合体の製造に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施例に係る燃料電池車用の排気管の分解斜視図である。
【図２】図１および図６における、Ａ−Ａ断面図（Ａ’−Ａ’断面図）およびＢ部拡大断面図である。
【図３】本発明の他の実施例に係る燃料電池車用の排気管の分解斜視図である。
【図４】図３におけるＣ−Ｃ断面図である。
【図５】フッ素樹脂接合体の接合部の断面写真図である。
【図６】本発明の溶着試験用配管の分解斜視図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  燃料電池用パイプ
２  パイプ本体
３  連結部材
４  接合部
５  パイプ
６  パイプ
【図２】
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【図４】
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【図１】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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